JP5941503B2 - 摺動機械 - Google Patents
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Description
(1)本発明の摺動機械は、相対移動し得る対向した摺動面を有する一対の摺動部材と、該対向する摺動面間に介在し得る潤滑油と、を備えた摺動機械であって、前記摺動面の少なくとも一方は、クロム(Cr)を含む非晶質炭素膜で被覆された被覆面からなり、前記潤滑油は、モリブデン(Mo)の三核体からなる化学構造を有する油溶性モリブデン化合物を含むことを特徴とする。
(1)本発明でいう「摺動機械」は、摺動部材と潤滑油を備えれば足り、機械としての完成体に限らず、その一部を構成する機械要素の組合わせ等でもよい。このため本発明の摺動機械は、摺動構造、摺動システム等と換言することもできる。
本発明に係る潤滑油は、Mo三核体化合物を含むものであれば、基油の種類や他の添加剤の有無等を問わない。通常、エンジンオイル等の潤滑油には、S、P、Zn、Ca、Mg、Na、BaまたはCu等を含む種々の添加剤が含まれる。このような潤滑油中でも、本発明に係るMo三核体化合物は、DLC膜で被覆された摺動面(被覆面)上に優先的に作用し、他の添加元素によって被覆面の表面粗さを劣化させる化合物が吸着反応等により生成されることを抑止する。なお、本発明に係る潤滑油は、Mo三核体化合物以外のMo系化合物(例えばMoDTC、二硫化モリブデン等)を含んでもよいが、Moはレアメタルの一種であり、含有されるMoの合計量は少ないほど好ましい。
本発明に係る摺動部材は、潤滑油を介在させつつ相対移動する摺動面を有するものであれば、その種類、形態、摺動形態等を問わない。本発明の場合、相対移動する対向した一対の摺動面のうち、少なくとも一方にCrを含むDLC膜が被覆されていれば、上述した潤滑油との組合わせにより、摺動面間の摩擦係数が顕著に低下し得る。特に、DLC膜と潤滑油の組成をマッチングさせることにより、本発明の摺動機械は、摺動面間の摩擦係数が0.04以下さらには0.03近傍となるような超低摩擦特性を発揮し得る。
(1)組成
本発明に係るCr−DLC膜は、上述したように、膜全体を100原子%としたときに、合計で1〜49%さらには3〜29%となるCrを含むと好ましい。Crが過少ではMo三核体化合物との相互作用が十分に機能せず、Crが過多では良好なDLC膜の形成が困難となり得る。
本発明に係るCr−DLC膜は、従来のDLC膜と同様にアモルファス構造からなるが、それのみならず、無配向性組織からなると、より好ましい。
DLC膜の成膜方法は問わないが、例えばスパッタリング法、特にアンバランスドマグネトロンスパッタリング(UBMS)法によると、緻密なDLC膜が効率的に形成されて好ましい。
本発明の摺動機械は、その具体的な形態や用途を問わず、多種多様な機械や装置等へ幅広く適用できる。特に本発明の摺動機械は、摺動面間の摩擦係数が非常に小さくなる超低摩擦特性を発現するため、摺動抵抗の低減や摺動による機械損失の低減が厳しく要求される機械等に好適である。例えば、自動車等に搭載されるエンジンや変速機等の駆動系ユニット、それらの一部を構成する摺動体などに本発明の摺動機械は好適である。ここでいう摺動体は、軸と軸受、ピストンとライナー、噛合する歯車、ポンプ等である。また、このような摺動体を構成する摺動部材は、例えば、動弁系を構成するカム、バルブリフタ、フォロワ、シム、バルブ、バルブガイド等、その他、ピストン、ピストンリング、ピストンピン、クランクシャフト、歯車、ロータ、ロータハウジング等である。
ドープする金属元素(ドープ元素)またはその含有量が異なるDLC膜で被覆された種々の供試材(摺動部材)と、Mo三核体化合物(油溶性モリブデン化合物)を含有した潤滑油(「潤滑油A」という。)またはそれを含有しない潤滑油(「潤滑油B」という。)と組合わせてブロックオンリング摩擦試験を行った。この試験結果に基づいて、本発明をより具体的に説明する。
(1)基材
焼入れ処理した鋼材(JIS SUS440C)からなるブロック状(6.3mm×15.7mm×10.1mm)の基材を複数用意した。各基材の表面(DLC膜の被覆面)は鏡面仕上げ(表面粗さRa:0.08μm)した。
上記の各基材表面に、表1に示すようにドープ元素またはH含有量の異なるDLC膜を成膜した供試材(試料10〜15)と、表2に示すようにCr含有量の異なるDLC膜を成膜した供試材(試料20〜24)を用意した。
(1)膜組成
各DLC膜の膜組成は次のように測定した。膜中のドープ元素は、電子プローブ微小部分析法(EPMA)により定量した。Hは、弾性反跳粒子検出法(ERDA)により定量した。ERDAは、2MeVのヘリウムイオンビームを膜表面に照射して、その膜からはじき出される水素を半導体検出器により検出して水素濃度を測定する方法である。こうして得られた各DLC膜の組成を表1および表2に併せて示した。
透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて、各DLC膜の厚さ方向の断面中央部へ電子線を照射して電子線回折像を得た。各電子線回折像から、ハローパターンが観察されており、各DLC膜はアモルファス構造であることが確認された。
各DLC膜の表面硬さは、ナノインデンター試験機(株式会社東陽テクニカ製MTS)による測定値から求めた。また、本明細書でいう各供試材の表面粗さは、特に断らない限り、白色干渉法非接触表面形状測定機(Zygo社製NewView5022)により測定した。こうして得られた各DLC膜の膜特性を表1および表2に併せて示した。
摩擦試験に用いる潤滑油として表3に示す2種類のエンジンオイルを用意した。潤滑油Aは、粘度グレード0W−20でILSAC GF−5規格に相当するエンジンオイル(トヨタ自動車株式会社製モーターオイルSN 0W−20)をベースに、Infineum社の公開資料「Molybdenum Additive Technology for Engine Oil Applications」にて“Trinuclear”と記されたMo三核体化合物(適宜、単に「Mo三核体」という。)を、オイル全体に対するMo含有量が80ppmMo相当となるように追加配合したものである。一方、潤滑油Bは、そのようなオイル添加剤を追加配合していないベースのエンジンオイルである。なお、いずれの潤滑油も、モリブデンジチオカーバメート(MoDTC)を含んでいない。
(1)摩擦係数
各供試材と各潤滑油とを組合わせてブロックオンリング摩擦試験(単に「摩擦試験」という。)を行い、各摺動面の摩擦係数(μ)を測定した。Mo三核体を含有した潤滑油Aを用いたときの各供試材の摩擦係数を表1および表2に併せて示した。
摩擦試験後の各供試材の摺動面を、飛行時間型2次イオン質量分析法(TOF−SIMS)により測定した。Ion−Tof社製TOF−SIMS5装置を用いて、30keVのBi+ビームを1次イオンとして、摺動面の100μm×100μmの測定領域に対して高分解能スペクトル測定を行った。この測定により得られた代表的な二次イオン質量スペクトルを図4に示した。同図中には摩擦試験により得られたμ値も付記した。なお、図4に示したいずれのスペクトルも、潤滑油Aを用いた摩擦試験後の摺動面を測定したものである。
潤滑油Aを用いた摩擦試験後の各供試材の摺動面を、前述した非接触表面形状測定機により測定した。こうして得られた各摺動面の立体形状(摩耗深さ)を図7にまとめて示した。
(1)摩擦特性
先ず、ドープ元素の異なる各DLC膜と潤滑油A(Mo三核体含有)とを組合わせたときの摩擦係数を図1に示した。Cr−DLC膜の摩擦係数が、他のDLC膜の摩擦係数やDLC膜を有さない浸炭材の摩擦係数よりも、著しく低下していることがわかる。
図4に示すTOF−SIMSの分析結果から明らかなように、Cr−DLC膜(Cr:13at%)とHフリ−DLC膜の場合、潤滑油Aを用いた摩擦試験後の摺動表面には、−Mo3S7、−Mo3S8 等のMoxSyのフラグメントが検出されており、Mo三核体の吸着が確認された。一方、浸炭材の場合は、そのようなMo三核体の吸着は認められなかった。
ドープ元素の異なる各DLC膜の硬さを図6に対比して示した。図6から明らかなように、Cr−DLC膜は、他のドープ元素を含むDLC膜よりも十分に硬く、H−DLC膜と同程度な硬さを有している。なお、各DLC膜中のH含有量は同程度であるため、各DLC膜の硬さはドープ元素の種類に依るものと考えられる。
Claims (6)
- 相対移動し得る対向した摺動面を有する一対の摺動部材と、
該対向する摺動面間に介在し得る潤滑油と、
を備えた摺動機械であって、
前記摺動面の少なくとも一方は、クロム(Cr)を含む非晶質炭素膜で被覆された被覆面からなり、
前記潤滑油は、モリブデン(Mo)の三核体からなる化学構造を有する油溶性モリブデン化合物を含むことを特徴とする摺動機械。 - 前記非晶質炭素膜は、膜全体を100原子%(単に「%」という。)としたときに、1〜49%のCrと、0〜30%の水素(H)と、残部が炭素(C)および不純物とからなる請求項1に記載の摺動機械。
- 前記非晶質炭素膜は、Hを3〜28%含む請求項2に記載の摺動機械。
- 前記三核体は、Mo3S7またはMo3S8の少なくとも一方からなる請求項1に記載の摺動機械。
- 前記潤滑油は、前記油溶性モリブデン化合物を、該潤滑油全体に対するMoの質量割合で5〜800ppm含む請求項1または4に記載の摺動機械。
- 前記被覆面は、Bi+を1次イオンとする飛行時間型2次イオン質量分析法(TOF−SIMS)を用いて最表面を解析した際に、負イオンスペクトルに関して測定される質量数517.4付近に現れる98Mo3S7 −に帰属されるピークのカウント数(A)と、正イオンスペクトルに関して測定される質量数40.0付近に現れる40Ca+に帰属されるピークのカウント数(B)との比であるカウント数比(A/B)が0.006以上である請求項1〜5のいずれかに記載の摺動機械。
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